第四十章 梁蔼如的烦恼
        1849年3月10日，刘珂去钢铁厂视察。原因是几天前接到了接到了梁蔼如写给他的一份报告，思索了良久，刘珂还是决定去看看。梁蔼如1845年考入格拉斯哥大学后学习的是冶金专业，1848年初回国后，刘珂交给了他一个任务。就是研制新型钢铁材料。为此，刘珂专门为梁蔼如从中学招聘10个品学兼优的学生，投入了30多万英镑，建立了一个特殊钢材实验室。刘珂将后世的一些钢材材料的信息资料交给了梁蔼如，要求尽快研制出这些特殊钢材。现在梁蔼如在研制炮钢遇到困难了。

        当刘珂到特殊钢材实验室时，梁蔼如正在检查钢材的各种参数，以至于刘珂走到身旁也浑然不觉。旁边的学生想去提醒梁蔼如，刘珂连忙摇了摇手。梁蔼如带着副眼镜正在分析着刚刚测试到钢材的各种数据，不由得皱了皱眉头。突然扭过头来，看到旁边的刘珂，有些惊讶的说道：“主席，您什么时候到的？”说完又瞪了旁边的学生一眼。

        “实验的数据不理想吗？”刘珂问道

        “还是硫和磷的含量偏高，虽然钢材的强度和硬度都达到了要求，但是韧性不好。”梁蔼如推了推眼镜说道。

        刘珂默然了。

        “我有个想法，就是使用能够去除硫和磷的材料作为炉底和堤坡耐火材料砌筑，炉顶由悬挂式能够去除硫和磷的耐火材料构成。冶炼过程使用碱性渣操作，我想一定能有效地去除钢液中的磷和一定程度的脱硫。”梁蔼如信心十足的说道。

        刘珂突然响起了前世的一些炼钢的信息，这不正是碱性平炉炼钢发吗。刘珂之前使用的是酸性平炉炼钢法，酸性平炉的冶炼过程不能去除金属液中的硫、磷有害杂质，故要求使用含硫、磷低的优质炉料，但是炉底中sio2在炼钢时可被还原，使钢水自动脱氧，且夹杂物成球形。所以炼出的钢材强度和硬度都很好，但是韧性稍差。作为普通用钢是足够了，但是作为使用条件非常恶劣的火炮就显得不够用了。厚壁大口径火炮身管用钢在射击到，火炮身管承受着很复杂的应力。由于要经受射击参量如炮弹初速度可达500～3000ms，高温、高压、高速气体对管壁的作用和冲击，炮弹对管壁的挤压，形成了很高的切向应力；而且身管表面经受着交替地快速加热以10cs的加热速率使温度升高到710c以上和快速冷却10cs，使钢的组织产生了奥氏体和马氏体的反复相变，形成了很大的组织应力和热梯度。苛刻的服役条件对火炮身管用钢提出了很高的要求，所以炮钢应具有如下性能：1高横向比例在射击时不产生永久变形；2高横向室温和40c的低温韧性，在射击时不发生脆性断裂；3低裂纹扩展速率，高的周期疲劳次数，从而具有很长的使用寿命。为使身管用钢在射击条件下不软化胀膛，还应具有高的高温强度。为保证大口径火炮身管用钢良好的综合性能，世界各国普遍都采用镍铬钼钒为保证钢的淬透性和改善钢的低温韧性，都添加较高的镍，通常为3o～35；降低的碳含量有利于韧性的提高；降低铬含量有利于细化晶粒提高韧性。

        “天才呀！”刘珂心里想到，于是刘珂非常支持梁蔼如的想法。然后通过与梁蔼如讨论碱性平炉炼钢工艺，将一些后世在现阶段能够应用到的一些炼钢工艺一点一点的慢慢透露出来。通过三天的讨论，梁蔼如整理出一套碱性平炉炼钢的设想工艺。

        1补炉。从上炉出钢开始至下炉装入第一槽炉料的期间为补炉期。当上炉钢水一经放出，炉内熔池液面就开始下降，当后墙渣线、出钢口和炉头堤坡暴露于液面时，立即用补炉机进行修补，补炉材料为镁砂、白云石、铁皮、焦油和卤水等。补炉时炉内要保持正压和高温，即向炉内供给足量燃料，使补炉材料与炉体很好烧结。

        2装料。向炉内装入第一槽冷炉料至兑完全部铁水的期间为装料期。为了保证炉料在全部熔化完毕时得到合适的熔毕碳和熔毕渣碱度，事先必须进行炉料的配料计算，计算炉料中的矿石量和石灰石量。熔毕碳是指炉料全部熔化完毕时金属液中的含碳量。此值应比所炼钢种的含碳量高出025～080与炉容量大小有关，平均值为05左右，以保证精炼期的造渣、脱碳、升温和控制钢液成分能够顺利进行。合适的熔毕碳取决于正确的矿石加入量，而后者与炉子吨位、铁水和废钢的配比及成分、炉子氧化能力和熔化期的放渣量及其成分等因素有关。而这些参数间的相互关系主要依靠实践经验来确定。装料的顺序和速度、炉料加热的时间都对炉料的熔化速度、成渣速度和总冶炼时间有极大影响。装料顺序根据炉料的导热性能、难熔程度以及它们对炉衬材料的作用来确定。导热性差、热容小的矿石和石灰石先装入，而导热性好的生铁和废钢则后装入。通常在炉底上首先装矿石，其后是石灰石和矿石交替装入，最后装入废钢，而重废钢应装在上层靠近后墙侧，该处受热条件最好。装料操作的原则是高温快装、均匀铺平和分层烧透。冷炉料装完后，堆堵好炉门的假门坎，加热炉料一定时间。然后经过兑铁口连续兑入铁水，直至兑完，这时熔池开始活跃沸腾，而且熔池渣面升高，很快形成大量酸性初期渣。装料期应向炉内供应最高流量的燃料以快速加热装入的冷料，但当初渣生成后适当减少燃料流量。装料时间占总熔炼时间的20～30。

        3熔化。从兑完铁水至炉料全部熔化完毕的期间为熔化期，它是平炉熔炼各期中最长的一个阶段，约占总冶炼时间的30～50。故缩短熔化期是实现平炉快速炼钢的关键。熔化期的任务是将炉料全部熔化并加热至一定温度，使炉渣具有合适的碱度和良好的流动性。同时在炉料熔毕时保证金属液内有合适的熔毕碳，为精炼期创造良好的条件。当铁水兑入炉内后，立即与矿石发生激烈反应，熔池开始沸腾而上涨，生成大量发泡偏酸性渣，这时需及时通过后墙上的放渣口或炉门进行放渣，可去除熔池金属液中50～90的磷和10～20的硫，同时可大大改善向熔池的传热和传氧，也减轻初渣对炉衬的侵蚀。当金属炉料熔化时，装在炉底上的石灰石加热后开始分解，其产物石灰cao上浮进入渣中，并放出大量的co2气体使熔池产生沸腾，称为石灰沸腾，这种沸腾有利于熔池的加热和氧化反应的进行。在熔化中期，随着温度上升，废钢和生铁块大量熔化，熔池里发生剧烈沸腾俗称“大翻”现象，也加速熔池加热和反应进行。这时金属液中的碳与矿石、渣中的feo发生反应生成大量co也引起熔池强烈沸腾，由于co在熔池上方燃烧放出很大热量，故此时需适当减少向炉内的燃料供应。当熔池停止“大翻”时，即表明炉料已全部熔化完毕。若熔池温度合适，炉渣碱度接近2而且流动性良好，即可结束熔化期，而进入精炼期。

        4精炼。从熔毕到炉内预脱氧出钢的期间称为精炼期。精炼期包含两个阶段，即矿石沸腾期和纯沸腾期。精炼期的主要任务是调整钢液成分，降低c、p、s含量并使之达到预脱氧前的要求充分去除钢液中的夹杂物和气体，提高钢液纯净度加热钢液到出钢所需温度。矿石沸腾期是指从炉料熔毕到纯沸腾开始这段时间。当炉料完全熔化和熔池温度达到预定值时，即可向熔池加进铁矿石进行精炼，加进铁矿石的目的是为了提高钢液的脱碳速度以缩短冶炼时间，c和o反应生成的大量co逸出使熔池发生激烈沸腾，这种搅动有利于熔池的传热、造渣、气体和夹杂物的去除以及温度和成分的均匀。由加入矿石而产生co使熔池沸腾的现象，称为矿石沸腾这种沸腾对完成精炼任务起着决定性作用。铁矿石分批加入，其数量和时间应与平炉的供热能力相配合，为了促进脱硫、脱磷反应，在铁矿石之后还需分批加入一定量的石灰。当铁矿石和炉渣与钢液间的氧化熔炼反应接近完成时，熔池沸腾逐渐减弱，这表示矿石沸腾期结束和纯沸腾期开始。纯沸腾期是指从矿石沸腾结束到预脱氧前的这段时间。铁矿石和炉渣与钢液间的强烈氧化反应已经结束，代之而起的是钢液内部的co反应开始发生，从炉门窥孔可见到整个熔池表面冒着均匀而细小的co气泡，很像粥锅里的冒泡沸腾，人们称这种沸腾为纯沸腾。纯沸腾的作用是进一步去除钢液中的气体和夹杂物和加热钢液至出钢温度。为保证钢的质量，对纯沸腾的时间有着严格的规定。通过取出钢样和渣样的分析和观察以及钢液温度的测定，就可判断纯沸腾期的结束。进行炉内预脱氧和出钢。在出钢过程中向钢流和钢包内投脱氧剂进行终脱氧。

        5脱氧和出钢。当钢液成分和温度达到所炼钢种要求而结束精炼期时，即可进行炉内预脱氧和准备出钢，这时可适当减少向炉内供给燃料。炉内预脱氧对钢液温度影响较小，钢液成分较均匀，脱氧产物易于排除，但脱氧剂收得率较低。打开出钢口的操作也很重要，要保持出钢口平整圆滑，不使钢流发散，这是保证钢质量的重要条件，出完钢要把出钢口清理干净，在修补完炉底后便将它堵塞严实，以保证下炉的顺利操作。

        当然，这还只是初步设想，最后的碱性平炉炼钢工艺工艺需要经过反复的实验，再去完善。炼好钢了之后，再通过适当的热处理，就可以得到非常优秀的炮钢了。

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